低合金鋼低成本無(wú)缺陷鑄坯生產(chǎn)實(shí)踐

黃傳根,張立鑫,王 泉,范海寧,周亞輝,張 炯

(馬鋼股份公司 安徽馬鞍山 243000 )

Q345B屬低碳合金鋼，是典型的常規(guī)板帶產(chǎn)品，市場(chǎng)需求量較大，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)Q345B鋼種成分設(shè)計(jì)碳含量處在包晶區(qū)范圍內(nèi)(0.08～0.16%)，裂紋敏感性較強(qiáng)，Q345B鋼種的鑄坯存在不同程度的角部裂紋缺陷[1]、[2]。馬鋼生產(chǎn)的低碳合金鋼Q345B成分C含量(0.16%)同樣處于包晶區(qū)內(nèi)，一直以來(lái)，為解決鑄坯角裂缺陷需對(duì)鑄坯進(jìn)行火焰清角處理，導(dǎo)致金屬損失較大；其次，由于清角的特殊要求，鑄坯無(wú)法熱裝入爐，進(jìn)一步增加了加熱時(shí)間，降低了熱利用率；同時(shí)，清角處理增加了板坯庫(kù)存，嚴(yán)重影響了板坯庫(kù)鑄坯周轉(zhuǎn)能力，增加了生產(chǎn)管理成本。由于板坯清理量大，限制了其他需要清理鋼種的生產(chǎn)能力。因此，解決Q345B鋼種鑄坯角裂問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)順行和降低成本均有重要的意義。

1 成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化

1.1 成分設(shè)計(jì)

馬鋼Q345B采用C-Mn成分設(shè)計(jì)體系，屬于包晶鋼范圍。為滿足產(chǎn)品性能要求，在成分設(shè)計(jì)時(shí)提高了鋼中Mn元素的含量，但Mn含量的提升，易引起MnS 偏析，導(dǎo)致帶狀組織加劇，進(jìn)而增加成品冷彎開(kāi)裂幾率的質(zhì)量問(wèn)題[3]、[4]。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究對(duì)Q345B成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，為避開(kāi)包晶區(qū)，降低鑄坯裂紋敏感性，將鋼中C含量降低至0.07%以下， Mn含量降低至0.6%以下，為彌補(bǔ)因C、Mn元素含量減少而導(dǎo)致固溶強(qiáng)化貢獻(xiàn)的削弱，本研究采用價(jià)格相對(duì)低廉的微合金化元素Ti進(jìn)行補(bǔ)償。有關(guān)研究表明[5]：Ti作為單一微合金化元素加入鋼中，其含量低于0.045%時(shí)，隨著鈦含量的提高，鐵素體晶粒明顯細(xì)化，但對(duì)強(qiáng)度影響不大；當(dāng)鈦含量大于0.045%時(shí)，對(duì)晶粒細(xì)化作用不大，但強(qiáng)度會(huì)明顯提高，主要因?yàn)榧{米尺寸TiC的沉淀強(qiáng)化效果。本研究設(shè)計(jì)Q345B成分時(shí)，引入有效Ti含量的概念，有效Ti=Ti(全)-3.42N-1.5S。通過(guò)提高Ti含量，利用TiC在鐵素體區(qū)充分的細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化作用的方式彌補(bǔ)C、Mn含量降低導(dǎo)致的強(qiáng)度降低[6]，經(jīng)過(guò)多輪試驗(yàn)制定具體成分見(jiàn)表1。

表1 Q345B國(guó)標(biāo)要求及原鋼種和試驗(yàn)鋼種成分 wt/%

2.2 冶煉工藝優(yōu)化

馬鋼生產(chǎn)Q345B的工藝流程如下：

鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→合金微調(diào)站→LF爐→連鑄→熱軋

由于Ti元素的金屬性強(qiáng)，易與N、S、O等元素優(yōu)先結(jié)合形成復(fù)雜的含Ti化合物。根據(jù)含Ti化合物的固溶度和生成自由能，在鋼中析出順序?yàn)門(mén)iN→Ti4C2S2→TiC[7]。Ti元素首先跟鋼中的N元素結(jié)合形成TiN，其次跟鋼液中的S元素形成Ti4C2S2。由相分析結(jié)果，在鋼中Ti和S的親和力大于Mn和S，因此鋼中Ti4C2S2化合物會(huì)隨著鈦含量的增加而逐漸增多，并取代鋼中MnS夾雜，使鋼中形貌為長(zhǎng)條狀的MnS夾雜演變成球狀?yuàn)A雜，改善鋼的帶狀組織，提高鋼的塑性及韌性。隨著Ti含量繼續(xù)增加，Ti和C將會(huì)結(jié)合形成TiC，在低溫中析出并起到析出強(qiáng)化作用[8]。因此，控制鋼水中N、S、O的含量對(duì)穩(wěn)定控制有效鈦含量起著至關(guān)重要的作用，其中控制N含量最為關(guān)鍵，制定如下措施：

(1)嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐下渣量；

(2)優(yōu)化出鋼過(guò)程渣料及合金加入順序；

(3)LF埋弧升溫、控制升溫次數(shù)、微正壓操作；

(4)適當(dāng)控制造渣及合金化過(guò)程底吹強(qiáng)度；

(5)優(yōu)化合金化及鈣處理制度；

(6)連鑄全程保護(hù)澆鑄技術(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鑄坯角部酸洗和低倍試樣對(duì)比

(1)鑄坯角部質(zhì)量

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)鋼鑄坯角部取樣，并同原鋼種角部質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1：

圖1 角部酸洗樣照片：(a)試驗(yàn)鋼種；(b)原鋼種

根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)成分生產(chǎn)的鑄坯角部質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)角裂，而原鋼種則存在角裂現(xiàn)象，因此試驗(yàn)鋼種生產(chǎn)鑄坯滿足不清理直接軋制的需求。

(2)鑄坯低倍檢驗(yàn)

試驗(yàn)鋼鑄坯與原鋼種低倍試樣檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2：

圖2 鑄坯低倍樣照片：(a)試驗(yàn)鋼種；(b)原鋼種

試驗(yàn)鋼種鑄坯低倍樣顯示中心偏析和疏松情況明顯優(yōu)于原Q345B鋼種鑄坯。

3.2 成品力學(xué)性能

對(duì)軋后帶鋼進(jìn)行取樣并進(jìn)行拉伸、彎曲和沖擊等力學(xué)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 試驗(yàn)前后力學(xué)性能比較

由表2可以看出，試驗(yàn)鋼生產(chǎn)Q345B屈服強(qiáng)度360 Mpa-560 Mpa，平均430 Mpa，富余量較大，比原鋼種平均提高49 Mpa；抗拉強(qiáng)度和延伸率跟原鋼種接近，沖擊性能也優(yōu)于原鋼種；對(duì)試驗(yàn)前后帶鋼進(jìn)行取樣做冷彎實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)鋼冷彎性能明顯優(yōu)于原鋼種，未發(fā)生折彎開(kāi)裂現(xiàn)象。綜上所述，試驗(yàn)鋼生產(chǎn)Q345B鋼種各項(xiàng)力學(xué)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 微觀組織

圖3為試驗(yàn)鋼軋制后的金相組織圖片，由圖3可知，進(jìn)行Ti微合金化的組織為鐵素體+少量珠光體，晶粒度級(jí)別為11.0級(jí)，帶狀組織級(jí)別均為0，驗(yàn)證了通過(guò)采用Ti微合金化的析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，有效保證了帶鋼鐵素體晶粒尺寸細(xì)小均勻。由于鋼中Mn與S元素易結(jié)合生成的MnS夾雜，形成帶狀組織，降低鋼的韌性。通過(guò)降低鋼中Mn含量及合理設(shè)計(jì)Ti含量，帶鋼中MnS含量明顯降低，對(duì)不同厚度帶鋼取樣觀察微觀組織，鋼中無(wú)明顯的帶狀組織，極大的改善了帶鋼組織均勻性[8]。

圖3 金相組織圖片：(a)100X；(b)500X

3.4 效果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)冶煉過(guò)程的精細(xì)化控制，LF終點(diǎn)鈦鐵合金的收得率能夠穩(wěn)定控制在82%-85%范圍內(nèi)，鋼水N含量的波動(dòng)也較小，加上全工序?qū)α虻目刂疲瑢?shí)現(xiàn)了有效Ti的穩(wěn)定控制，成品各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且整體性能更加穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了不清角和熱裝軋制，噸鋼降本約63元，同時(shí)加快了板坯庫(kù)鑄坯周轉(zhuǎn)，釋放了板坯庫(kù)存，為生產(chǎn)的高效順行提供了有力支撐。

4 結(jié)論

采用低碳、低錳、高鈦成分替代原Q345B鋼種組成分組織生產(chǎn)，解決了鑄坯角裂問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)缺陷鑄坯不清角軋制和熱裝生產(chǎn)；

新成分生產(chǎn)Q345B性能較原鋼種性能更加穩(wěn)定，各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足Q345B國(guó)標(biāo)要求，冷彎性能均合格，無(wú)帶狀組織；

不清角軋制解決了板坯庫(kù)周轉(zhuǎn)問(wèn)題，釋放了板坯庫(kù)存，為生產(chǎn)高效順行提供了有力支撐，實(shí)現(xiàn)了噸鋼降低成本約63元。